土體卸荷對基坑開挖變形的影響

土體卸荷對基坑開挖變形的影響

0坑內(nèi)被動區(qū)土體加固研究隨著城市建設的發(fā)展，越來越多的基礎工程必須在建設區(qū)。在施工條件復雜的城市，尤其是在軟土區(qū)，基礎工程已經(jīng)從強度控制轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃慰刂啤？刂茖_挖支撐結(jié)構(gòu)的變形，減少井挖對環(huán)境的影響，是基基設計和施工的主要內(nèi)容。井內(nèi)被動土樣加固是提高支撐結(jié)構(gòu)安全性的重要措施。減少對井開挖環(huán)境的影響。蔡偉銘通過理論分析證明了加固被動區(qū)土體比加固主動區(qū)土體更有效。林鵬通過工程實踐結(jié)合實測資料對被動區(qū)土體的加固方式及效果進行了分析。黃宏偉就坑內(nèi)被動區(qū)加固對改善和提高坑內(nèi)土體力學參數(shù)的效果及對墻體位移的影響進行了分析。筆者在長期模擬基坑開挖試驗的基礎上，提出了從卸荷后土體強度、豎向變形、側(cè)壓力變化的規(guī)律出發(fā)，對加固深度進行確定的思路。該方法為受卸荷影響的基坑工程的被動區(qū)加固深度的合理確定提供了理論依據(jù)。1試驗內(nèi)容及試驗結(jié)果的分析1.1固結(jié)壓力對試樣固結(jié)穩(wěn)定性的影響土樣取用上海浦東某工地基坑挖土至坑底設計標高時坑底及以下不擾動原狀土。土樣基本物理性質(zhì)指標如表1。試驗按土樣天然固結(jié)壓力大小分成三大組，固結(jié)壓力分別取0p=200,300,400kPa，在五聯(lián)式直剪儀上分別進行以下試驗：a）分三大組分別對試樣進行逐級加荷固結(jié)，至固結(jié)穩(wěn)定（一般24h以上）。b）對0p=300kPa組按固結(jié)時間分成1,3,4,7,14d五小組。c）分別在不排水條件下不同程度的卸荷，每次卸荷量為50kPa，卸荷后立即進行快剪（對應于基坑開挖很快，土體還來不及膨脹的強度變化路徑），做出τ-σ關(guān)系線。(2）土體強度試驗結(jié)果a）加、卸荷時土體強度變化路徑不同，卸載狀態(tài)下土體強度不同程度降低。加荷及不同固結(jié)壓力下卸荷土體強度變化路徑如圖1；大量試驗表明土樣加荷固結(jié)后，部分卸荷其快剪強度降低與土體的卸荷比R有關(guān)。h=0，卸荷比R=1，隨著土體深度的增加其卸荷比逐漸減小，h越大，卸荷比R越小，式中p為土體的卸荷應力；cp為初始上覆荷載；H為基坑開挖深度；h為計算點到坑底的距離；α為矩形荷載中心點下豎向附加應力系數(shù)，可查土力學教材中附加應力表；γ為土體重度。b）卸荷τ-σ曲線具有明顯的三個階段，對應兩個關(guān)鍵點A,B，這兩點的確定工程意義很大。A點之下土體強度幾乎不再下降，工程定義該點為卸荷最大影響深度，用hcr表示（見圖2）;B點相應坑底附近處，B點之上土體強度下降幅度最大，工程定義該點為受卸荷影響程度最大深度，用hu表示，本文重點討論受卸荷影響程度最大深度hu。hu的確定采用強度殘留率fr與卸荷比R的關(guān)系進行定量分析。c)0p=400kPa荷重下，固結(jié)24h土樣卸荷試驗的fr–R關(guān)系曲線如圖3，曲線可近似地用三條直線來擬合，定義hu對應的卸荷比為極限卸荷比Ru，圖3得出：該土樣極限卸荷比Ru=0.68，推得hu=0.47H,hu=0.47H深度以上土體強度降低幅度最大，約43%。d）固結(jié)時間與卸荷比Ru的關(guān)系對σ0=300kPa組土樣分別固結(jié)1,3,4,7,14d，然后進行卸荷快剪試驗，將試驗結(jié)果變換成fr–R曲線，如圖4。試驗發(fā)現(xiàn)土樣固結(jié)時間長短對極限卸荷比Ru影響不大，同一土樣（0p=300kPa）固結(jié)14d的極限卸荷比Ru=0.65，固結(jié)1d的Ru=0.58，相差不大。（另外固結(jié)壓力對Ru影響也不大，σ0=400kPa時，固結(jié)1d的Ru=0.68）。對上海軟土10m以內(nèi)基坑，極限卸荷比Ru取0.67左右，hu約為0.5H，該部分土體強度降低幅度最大，約40%，軟土基坑一般對該范圍土體進行加固。1.2固結(jié)壓力及卸荷強度試驗土樣取自上海金橋某工地的基坑坑底的不擾動原狀土，系上海地區(qū)土層中具有代表性的第四層灰色淤泥質(zhì)黏土，基本物理性質(zhì)指標見表2。試驗按土樣天然固結(jié)壓力大小分成四大組，固結(jié)壓力分別取0p=200,300,400,500kPa，在常規(guī)固結(jié)儀上模擬基坑開挖坑底被動區(qū)土體受力性狀進行固結(jié)、卸荷試驗：a）按土體的天然固結(jié)壓力對試樣進行逐級加載固結(jié)，至固結(jié)穩(wěn)定（一般24h以上）。b）模擬基坑開挖逐級卸荷，（每級卸荷量為25kPa），每一級卸荷達到穩(wěn)定后記錄相關(guān)的數(shù)據(jù)，進行下一級的卸荷，直至土體完全卸荷。試驗結(jié)果見圖5。(2）土體回彈應變分析根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，將0p=200kPa（及0p=400kPa）時卸荷回彈應變ε(ΔH/H)與R的關(guān)系整理在半對數(shù)坐標系統(tǒng)中，如圖6所示：可以得出：a）每條曲線中都有兩個拐點，分別將其對應的卸荷比稱為臨界卸荷比Rcr和分界點卸荷比Rct。兩個卸荷比將土體卸荷分為三個部分。b）當分界點卸荷比R>Rct時（Rct約取0.8），其回彈應變較大（大于0.01），且ΔH/H隨著R的增大而急劇增大，此時土體所處的區(qū)域稱之為強回彈區(qū)（文獻也分析了土體中存在的強回彈區(qū)）。c）對應于基坑工程，R=Rct=0.8對應的深度hct為基坑的強回彈區(qū)深度。1.3加載固結(jié)穩(wěn)定驗算試驗土樣及分組同豎向變形試驗；按土體的天然固結(jié)壓力對試樣進行逐級加載固結(jié)，至固結(jié)穩(wěn)定（一般24h以上）；模擬基坑的開挖逐級卸荷（每級卸荷量為25kPa），每一級卸荷達到穩(wěn)定后記錄相關(guān)的數(shù)據(jù)，并進行下一級的卸荷，直至土體完全卸荷。(2）土體卸荷與lg1/1-r的關(guān)系a）豎向應力σv與側(cè)向應力σh之間的關(guān)系如圖7，從圖中可以看出：(1)當土體固結(jié)時，豎向應力與側(cè)向應力之間具有線性關(guān)系，即靜止土壓力系數(shù)K0為一固定值。從擬合的線性公式來看，試驗中土體的固結(jié)靜止土壓力系數(shù)在0.5左右；(2)當土體卸荷時，豎向應力與側(cè)向應力之間是非線性關(guān)系，而且可以用二次曲線來模擬之間的關(guān)系。這說明當土體卸荷時，土體的靜止土壓力系數(shù)并不是一個常數(shù)，而是隨著土體的卸荷而不斷變化的。b）卸荷時的靜止土壓力系數(shù)以K0ul表示土體卸荷時的靜止土壓力系數(shù)，以K0n表示土體正常固結(jié)時的靜止土壓力系數(shù)，對K0固結(jié)卸荷試驗的結(jié)果進行處理。參照超固結(jié)土靜止土壓力系數(shù)與正常固結(jié)土靜止土壓力系數(shù)的關(guān)系，進行分析，分析發(fā)現(xiàn)，不同的預壓荷載對卸荷時土體靜止土壓力系數(shù)影響較小，可將不同的預壓荷載下的lg(K0ul/K0n)與lg(1/(1-R))擬合到一條曲線上，見圖8所示。圖中，lg(K0ul/K0n)與lg(1/(1-R))近似于線性關(guān)系，將它們之間的關(guān)系模擬成三次多項式關(guān)系時（確保截距為0），效果更好，此時的相關(guān)系數(shù)為0.9701。得到lg(K0ul/K0n)與lg(1/(1-R))之間的關(guān)系表達為根據(jù)上式可以得到K0u1與卸荷比R之間的關(guān)系曲線（取K0n=0.51635），見圖9。從圖中可以看出：(1)曲線有一個拐點，將其對應的卸荷比也稱為分界點卸荷比Rct,Rct=0.8。(2)當R<Rct=0.8時（與試驗土樣的性質(zhì)有關(guān)），K0u1與R之間的變化比較穩(wěn)定，且接近于線性關(guān)系；當R>Rct=0.8左右時，K0u1隨著卸荷比R的增大急劇增大。2討論固域限制2.1強度試驗分析基坑開挖卸荷，坑底土體的強度、變形模量、側(cè)壓力均發(fā)生變化。從強度角度分析，受影響程度最大的卸荷比極限卸荷比Ru一般取0.67左右，hu約為0.5H，該部分土體強度降低幅度最大，約40%，軟土基坑一般對該范圍土體進行加固。從變形角度考慮，受影響程度最大的卸荷比分界點卸荷比Rct一般取0.8,hct約為0.25H，該部分回彈應變較大，該部分回彈約占總回彈量的60%～70%。從側(cè)應力變化角度分析，受影響程度最大的卸荷比也稱為分界點卸荷比，Rct一般也取0.8,hct約為0.25H，該部分土體側(cè)壓力系數(shù)變化較大，將加大圍護結(jié)構(gòu)的變形，對基坑穩(wěn)定極為不利。在以上分析中，從變形角度與從側(cè)應力變化角度分析得出的受影響程度最大卸荷比較接近，與強度試驗得出的結(jié)果相差較大，分析原因主要有兩個：(1）強度試驗在直剪儀上進行，直剪試驗不能反映實際應力路徑，得出的強度變化值與實際有出入。(2）變形模量變化、側(cè)壓力變化試驗采用的土樣相同，試驗條件也相同，而強度試驗采用的土及其試驗條件與這兩個試驗不同。2.2數(shù)值分析(1）支護結(jié)構(gòu)水平位移影響因素對加固深度的研究，采用有限元方法，分析中不考慮支護結(jié)構(gòu)的支撐影響，支護結(jié)構(gòu)水平位移的大小主要取決于：(1)右側(cè)土體對支護結(jié)構(gòu)作用的水土壓力（主動土壓力、水壓力）；(2)支護結(jié)構(gòu)本身的性質(zhì)；(3)坑底土體阻擋支護結(jié)構(gòu)的變形能力。(2）．加固深度對支護結(jié)構(gòu)的影響a）坑底土層的軟硬及厚度對墻體位移的影響假定基坑底部土體發(fā)生變化，出現(xiàn)一層較硬或較軟土層，軟硬土層均以它們的壓縮模量與原坑底土壓縮模量的比值來反映，則土層軟硬及厚度變化與支護結(jié)構(gòu)頂點位移關(guān)系如圖10，分析中假定基坑深度為6m。考慮坑底土對支護結(jié)構(gòu)的作用時，可將坑底土的剛度凝聚到與支護結(jié)構(gòu)相接觸的界面上。分析表明：如基底表面出現(xiàn)一層較軟土層，將使支護結(jié)構(gòu)位移增大，而基底表面若有一層較硬土層時，可使支護結(jié)構(gòu)位移減小。特別是當基坑表面較硬土層厚度不到開挖深度的一半時，隨較硬土層厚度的增加，減小墻體位移的作用相當明顯。即在坑底范圍加固將有效的減小支護結(jié)構(gòu)的位移。b）加固深度對墻體位移的影響圖11為加固深度與墻體位移之間的關(guān)系，假定加固區(qū)域模量為未加固區(qū)域的2倍（較常采用的基坑加固方式–注漿加固，加固后壓縮模量提高約1.5～2.0倍）。分析發(fā)現(xiàn)：不管支護結(jié)構(gòu)插入深度深淺，當加固深度小于開挖深度的一半時，加固深度的增加對減小墻體的位移作用相當明顯。當超過一半的開挖深度時，加固深度的增加對減小墻體位移的效果不明顯。2.3加固深度的確定通過試驗及數(shù)值分析得出，基坑開挖坑底被動區(qū)土體加固是一種有效的減小支護結(jié)構(gòu)位移及坑底隆起的方法，對受影響程度最大范圍內(nèi)的土體加固是較適宜的，綜合以上試驗及經(jīng)驗，上海軟土地區(qū)的加固深度建議取0.3H～0.5H，大于0.5H是不經(jīng)濟的。3基坑變形的影響及加固建議(1）基坑開挖，坑底被動區(qū)土體卸荷，坑底一定范圍內(nèi)土體強度降低較大，豎向回彈量較大、側(cè)壓力發(fā)生變化較大，這些將對基坑的變形產(chǎn)生不利影響。(2）坑底被動區(qū)土體加固是減小支護結(jié)構(gòu)變形、減小回彈，減小側(cè)壓力變化的一種有效方法，綜合三方面試驗結(jié)果并結(jié)合工程經(jīng)驗，建議上海地區(qū)加固深度一般在0.3H～0.5H基坑深度左右。還可根據(jù)加固目的調(diào)整。4試驗結(jié)果分析(1）本文僅是對受卸荷影響被動區(qū)土體加固深度的研究?？紤]其它因素的被動區(qū)土體加固另做討論。(2）加固深度的確定與基坑形狀有關(guān)，基坑形狀的影響可通過α體現(xiàn)，對于大面積卸荷情況及坑底附近，式（1）中的α≈1。(3）豎向回彈、側(cè)壓力變化試驗中未考慮固結(jié)時間對Rct的影響，進一步的試驗將考慮這一影響。(4）關(guān)于受卸荷影響被動區(qū)土體加固深度的確定，通過試驗得出：從